(57)【要約】【目的】半田付け工程において、半田が外部に飛散するのを防止でき設計の自由度が向上できる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】放熱ベース１に乗せるペースト半田を島状半田３にして、島と島の間に隙間を形成して通路４とし、この通路４を溶融した半田に含まれるフラックスが気化してガスとなった場合の通り道とする。外部と繋がる通路４の長さＫを短くし、通路４の幅Ｅ１を広げることで、フラックスのガスや気泡を外部に放散し易くする。その結果、半田の飛散を防止することができる。また、通路４上に半導体チップをはいすることができて、設計の自由度が向上する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板と放熱ベースとを半田を介して固着する半導体装置の製造方法において、
放熱ベース上に島状半田を形成する工程と、
島状半田上に回路基板を配置する工程と、
島状半田を溶融させた後、固化させることで回路基板と放熱ベースを半田付けする工程と、
を含む半導体装置の製造方法であって、
隣接する前記島状半田の間の隙間が格子状の通路となり、該通路を構成する外部と繋がる直線通路の長さが７ｍｍ以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記放熱ベース上とメタルマスクを当接させ、その上にペースト半田を塗布し、メタルマスクを除去することで前記島状半田を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記メタルマスクが格子状の桟を有し、メタルマスクの枠と接続する前記桟の直線長さが７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ペースト半田が鉛フリー半田もしくは鉛半田であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記通路において、外部と繋がる直線通路と内部の直線通路とが所定の角度をもって接続することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記の所定の角度が３０°〜１５０°であることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
外部と繋がる前記通路と内部の前記直線通路が少なくともＬ字型もしくはＴ字型で接続することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）などの半導体装置の製造方法であって、半導体チップが載置される回路基板を放熱ベースに半田付けする工程において、半田が飛散するのを防止できる半田付け工程に関する。
【背景技術】
【０００２】
回路基板と放熱ベースの従来の半田付けにおいて、回路基板の面積が大きくなると、半田内にボイドが残留することがある。このボイドが半導体チップ下の半田内に残留していると、この残留した箇所での熱抵抗が増大して、回路基板上に固着される半導体チップが過熱し破壊に至ることがある。
そのため半田内にボイドが残留しないように、半田内に含まれるフラックスや気泡を速やかに外部に抜けるようにする必要がある。その対策として回路基板に貫通孔を開ける方法が特許文献１に開示されている。しかし、この方法では回路基板を構成するセラミック基板に貫通孔を形成する必要があり、製造コストが増大する。
【０００３】
そこで、低コストで半田内にあるフラックスや気泡を外部に放散出来る方法が行なわれている。それは、放熱ベースに予め島状半田を複数形成し、隣接する島状半田の間にフラックスや気泡の通り道となる通路を格子状に形成して放熱ベースと回路基板の半田付けを行なう方法である。
図７は、放熱ベースと回路基板の従来の半田付け工程を示し、同図（ａ）〜同図（ｉ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
【０００４】
同図（ａ）において、メタルマスク３１に放熱ベース１の上面を接触させる。
同図（ｂ）において、メタルマスク３１の上から放熱ベース１上にペースト半田（ペースト状の半田のこと）を塗布し島状半田３２を形成する。
同図（ｃ）において、メタルマスク３１を外し、島状半田３２の間に格子状の通路３３を形成する。
【０００５】
同図（ｄ）において、島状半田３２上に図示しない半導体チップが固着された回路基板５を配置する。
同図（ｅ）において、回路基板５が配置された島状半田３２が付いた放熱ベース１を半田付け炉６に挿入し、半田付け炉６内を減圧し、窒素を注入し、大気と窒素の置換作業を行ない半田付け炉６内を常圧の窒素雰囲気７にする。
【０００６】
同図（ｆ）において、常圧の状態で、昇温し、島状半田３２であるペースト半田内に含まれるフラックスを先に溶融させて溶融途上の島状半田３２ａとする。
同図（ｇ）において、さらに昇温し半田内の半田粉を溶かし半田粉が熔けてからそのまま放置して島状半田３２ａを完全に溶融させ、溶融した島状半田３２ａで通路３３を埋めて溶融半田３５とする。このときフラックスや気泡が通路３３に集まってくる。さらに加熱を続け、半田が溶融している状態で減圧雰囲気８にし、通路３３に集まったフラックスや気泡を外部へ排出する。
【０００７】
同図（ｈ）において、窒素を注入して窒素雰囲気７で常圧に戻し室温まで冷却して固化半田３７とし、半田付けは完了する。
同図（ｉ）において、その後半田付け炉６の外に回路基板５が半田付けされた放熱ベース１を搬出する。
図８は、回路基板の構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図である。同図（ａ）において、点線は放熱ベース１上に形成した島状半田３２の間の通路３３である。また、同図（ｂ）において、点線は半導体チップ５０である。
【０００８】
回路基板５はセラミック基板５ａと、このセラミック基板５ａの表側に形成された回路パターン５ｂと、裏側に形成された裏面導電膜５ｃで構成される。回路パターン５ｂに半導体チップ５０などが固着する。
図９に示すように、放熱ベース１上に形成され島状半田３２を溶融・固化させて、回路基板５は放熱ベース１に固着される。
【０００９】
図１０は、放熱ベース上に形成された島状半田の従来の平面図である。島状半田３２はペースト半田であり、格子状の通路３３が形成されている。外部と繋がる通路３３の直線長さＭ（直線通路の長さ）は短いものでも７ｍｍを越える長さである。また通路３３の幅Ｎは０．７ｍｍ程度である。
尚、通路３３の直線長さＭは、通路３３が直線的に走ってその出口（外部と繋がる箇所）が２箇所ある場合（島状半田３２群を直線的に縦断または横断する場合）には、その中心から出口までの距離をいう。
【００１０】
この通路３３の交差点は放熱ベース１の中央付近では密に配置され、さらに外部に繋がる通路３３と内部の通路３３の交差点は十字路となっている箇所が多い。そのため外部と繋がる直線的な通路３３の長さＭが長くなる。このような格子状の通路３３を形成する方法について説明する。
図１１は、従来のメタルマスクの平面図である。このメタルマスク３１は格子状の桟４２が形成され桟４２で囲まれた開口部４１が形成されている。尚、桟４２とは障子の桟と同じ意味で枠３１ａ内を仕切った仕切り（梁）のことである。
【００１１】
メタルマスク３１の枠３１ａと繋がった桟４２の直線長さは、短いものでも７ｍｍ超であり、桟４２の幅は０．７ｍｍ程度である。この桟４２の直線長さと幅は、図１０に示す通路３３の直線長さＭと通路３３の幅Ｎとそれぞれ一致する。また、開口部４１の大きさ（島状半田３２の大きさと一致する）は半導体チップ５０が固着される場所では半導体チップ５０の大きさより大きくしてある。
【００１２】
前記したように、このメタルマスク３１に放熱ベース１上を接触させ、ペースト半田をはけやローラーなどで延ばす、またはディスペンサーなどで塗布して放熱ベース１上に島状に印刷する。印刷が終わった段階でこのメタルマスク３１を外すと図１０のような島状半田３２と通路３３が得られる。
前記したように、この格子状の通路３３が形成された島状半田３２であるペースト半田上に回路基板５を配置し、昇温して島状半田３２を溶融させ、その後、冷却して半田を固化させて半田付けは完了する。
【００１３】
この半田付け工程において、島状半田３２であるペースト半田が溶融するときにペースト半田に含まれるフラックス（還元剤）が気化して格子状の通路３３を通ってフラックスや半田に含まれる気泡も格子状の通路３３を通って外部へ放散される。
そのため、溶融した半田内に気化したフラックスや気泡が残留することが少ない。
【特許文献１】特開２００５−１０９３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、外部に繋がる通路３３の直線長さＭが長く通路３３の幅Ｎが狭い場合には、放熱ベース１の中央付近で気化したフラックスや気泡がこの狭く長い通路３３を通って外部へ勢いよく放出される。そうすると、溶融した半田がそのガスや気泡に巻き込まれ外部へ飛散することになる。
図１２は、回路基板を放熱ベースに半田付けしたときに半田が飛散した場所を示す図である。回路基板５を放熱ベース１に半田付けした後の図である。半田が飛散する場所（飛散半田４３がある場所）は通路３３の出口である。
【００１５】
この半田の飛散メカニズムを調査するために半田が溶融している時点でのフラックスや気泡が半田内に発生し残留する様子を超音波で検査した。
図１３は、フラックスや気泡が半田内に発生している状態を示す模式図である。これは回路基板５を載せて島状半田３２を溶融した場合の初期の図であり、フラックスや気泡４４が溶融途上の島状半田３２ａ（または減圧前の溶融半田３５）内に閉じ込められた状態である。観察は溶融途上の島状半田３２ａ（または減圧前の溶融半田３５）を冷却して固化した状態で行なった。  
【００１６】
放熱ベース１の中央付近で通路３３が混み合っており、その箇所にフラックスや気泡４４が多く発生している。このガスや気泡４４が時間とともに通路を通って外部へ放出され溶融した半田を巻き込んで半田の飛散が起こる。
図１４は、放熱ベース上に形成された島状半田を溶融したとき、フラックスが滲み出た様子を示す模式図である。これは放熱ベース１上に回路基板５は搭載されていない。
【００１７】
中央付近での通路３３の交差点が多いため、溶融半田３５から滲み出てきたフラックス４５の量は多く、フラックス４５が滲み出てきた場所は中央付近に集まっている。
このように、放熱ベース１の中央付近に多く発生したフラックスや気泡４４が外部と繋がる長い直線通路３３を通って勢いよく外へ放散されるため、溶融した半田が巻き込まれ飛散半田４３となる。
【００１８】
この飛散半田４３が回路基板５の図示しない端子パッドに付着するとワイヤボンディングが困難になる。また放熱ベース１の側面に付着すると付着した半田を除去する作業が追加される。この除去作業で放熱ベース１の表面に損傷を与えると外観不良になるなどの不都合を生じる。
この半田の飛散は鉛フリー半田になると特に顕著に現れる。それは、鉛フリー半田は濡れ性が鉛半田よりも悪いために、また信頼性を確保するために半田付け時の半田量が多くなり飛散が起こり易くなるからである。
【００１９】
また、通路３３を付けることで、フラックスや気泡４４が残留し難くなったとはいえ、前記のように通路３３の幅が狭いと、フラックスや気泡４４が通路３３上に残留する場合が起こる。そのため、通路３３上を除いて半導体チップ５０を配置する必要があり設計の自由度が損なわれる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、半田付け工程において、半田が外部に飛散するのを防止でき設計の自由度が向上できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記の目的を達成するために、回路基板と放熱ベースとを半田を介して固着する半導体装置の製造方法において、放熱ベース上に島状半田を形成する工程と、島状半田上に回路基板を配置する工程と、島状半田を溶融させた後、固化させることで回路基板と放熱ベースを半田付けする工程と、を含む半導体装置の製造方法であって、隣接する前記島状半田の間の隙間が格子状の通路となり、該通路を構成する外部と繋がる直線通路の長さを７ｍｍ以下とする。
【００２１】
また、前記放熱ベース上とメタルマスクを当接させ（接して配置し）、その上にペースト半田を塗布し、メタルマスクを除去することで前記島状半田を形成するとよい。
また、前記メタルマスクが格子状の桟を有し、メタルマスクの枠と接続する前記桟の直線長さを７ｍｍ以下とするとよい。
また、前記ペースト半田が鉛フリー半田もしくは鉛半田であるとよい。
【００２２】
また、前記通路において、外部と繋がる直線通路と内部の直線通路とが所定の角度をもって接続するとよい。
また、前記の所定の角度が３０°〜１５０°であるとよい。
また、外部と繋がる前記通路と内部の前記直線通路が少なくともＬ字型もしくはＴ字型で接続するとよい。
【発明の効果】
【００２３】
この発明によれば、放熱ベース上に形成されるペースト半田を島状半田にして、隣接する島状半田の間に隙間を形成して通路とし、この通路を溶融した半田に含まれるフラックスや半田に含まれる気泡の通り道とする。外部と繋がる通路の長さを短くし、通路の幅を広げることで、フラックスや気泡が外部に放散し易くする。
そうすることで、フラックスや気泡が外部へ勢いよく放散するのを抑え、溶融した半田が巻き込まれるのを防止する。半田がフラックスや気泡に巻き込まれなくなることで半田の飛散が防止される。
【００２４】
また、通路上にも半導体チップを配置できるので設計の自由度が向上する。
本発明は、濡れ性の悪い半田量の多い鉛フリー半田に対して特に有効がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施の形態を以下の実施例で図面を示しながら説明する。尚、従来構造と同一部位には同一の符号を付した。
【実施例１】
【００２６】
図１は、この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法であり、同図(ａ)〜同図（ｉ）は工程順に示す要部製造工程断面図である。
同図（ａ）において、メタルマスク２に放熱ベース１の上面を接触させる。
同図（ｂ）において、メタルマスク２の上から放熱ベース１上にペースト状の鉛フリー半田を塗布して島状半田３を形成する。
【００２７】
同図（ｃ）において、メタルマスク２を外し、島状半田３の間に格子状の通路４を形成する。
同図（ｄ）において、島状半田３上に図示しない半導体チップが固着した回路基板５を配置する。
同図（ｅ）において、回路基板５が配置された島状半田３が付いた放熱ベース１を半田付け炉６に挿入し、半田付け炉６内を減圧し、窒素を注入し、大気と窒素の置換作業を行ない半田付け炉６内を窒素雰囲気７の常圧にする。
【００２８】
同図（ｆ）において、常圧の状態で、１６０℃に昇温し、島状半田３であるペースト半田内に含まれるフラックスを先に溶融させて溶融途上の島状半田３ａとする。
同図（ｇ）において、さらに２０４℃に昇温し半田内の半田粉を溶かし半田粉が熔けてからそのまま約６０秒放置して島状半田３ａを完全に溶融させ、溶融した島状半田３ａで通路４を埋めて溶融半田９とする。このときフラックスや気泡が通路４に集まってくる。さらに加熱を続け、半田が溶融している状態で減圧雰囲気８にして、通路４に集まったフラックスや気泡を外部へ排出する。
【００２９】
外部と繋がる通路４の長さが短く幅が広いため、通路４に集まってきたフラックスや気泡は外部に近い位置で分布幅が広いので、勢いよく外部へ放出されることはない。そのため、溶融した半田を巻き込むことがなく、半田の飛散は防止される。
また、放熱ベース１の中央付近（内部）に配置される通路４の交差点の数が少ないので、残留するフラックスや気泡が中央付近で少ない。
【００３０】
同図（ｈ）において、窒素を注入して常圧の窒素雰囲気７の状態で室温まで冷却して固化半田１０として、半田付けは完了する。
同図（ｉ）において、その後半田付け炉６の外に回路基板５が半田付けされた放熱ベース１を搬出する。
前記において、島状半田３はペースト状の鉛フリー半田の場合で説明したが、本発明はペースト状の鉛半田にも適用できる。
【００３１】
また、島状半田３の形成をメタルマスク２を用いて行なったが、デスペンサーなどを用いて行なうこともできる。その説明はここでは省略する。
図２は、放熱ベース上に形成された島状半田の間の格子状の通路を示す平面図である。従来とは島状半田３の格子状の通路４のパターンが異なる。この平面図は図１（ｃ）の工程が終了した時点の平面図である。
【００３２】
図１０に示す従来の格子状の通路４と異なる点は、（１）外部と繋がる直線通路の長さＫが短い。（２）外部と繋がる直線通路の幅Ｅ１が広い。（３）放熱ベース１の中央付近での通路４の交差点の数が少ない。
具体的には外部と繋がる直線通路の長さＫは７ｍｍ以下とする。外部と繋がる直線通路の幅Ｅ１は０．７ｍｍ〜３ｍｍ程度とする。中央付近の直線通路の幅Ｅ２を０．７ｍｍ程度とする。勿論、Ｅ２をＥ１と同じにしても構わない。
【００３３】
格子状の通路４は、外部と繋がる直線通路とこれに繋がる内部の直線通路は３０°〜１５０°の角度で接続するとよい。この角度が１５０°を超えて１８０°に近づくと交差点で接続する通路が一直線に近づき、その結果、準直線部分が長くなるので好ましくない。また、３０°未満では、通路の交差点の幅が大きくなり溶融半田３ａで埋めにくくなり好ましくない。  
【００３４】
図２の例では外部と繋がる直線通路との交差点はＬ字通路１４（Ｌ字型の通路）やＴ字通路１５（Ｔ字型の通路）および１３５°程度の角度を有する通路となっている。また中央付近の通路４（内部の通路）は十字通路１６となっており、その数は少ない。また通路４で囲まれる島状半田３の大きさは１０ｍｍ□程度と大きくする。通路上に残留するフラックスや気泡が少ないので、通路４上に図示しない半導体チップを配置しても構わない。その結果、設計の自由度が向上する。
【００３５】
このように本発明では、放熱ベース上に形成された島状半田は２つの領域に分かれる。一つの領域は放熱ベース面上の略中央に形成され、複数（４以上）の島状半田と、これらを画し、交差する複数の直線状の通路（Ｔ字通路）からなる。他の領域は、一つの領域を囲み、複数の島状半田と、これらを画する直線通路からからなる。一つの領域は、通路を介して他の領域に囲まれる。本発明では他の領域の外周に繋がる直線通路が、いずれも、十字通路の延伸上にない。これらの直線通路と十字通路は、一つの領域を囲む通路を介し屈曲して連なっていて、Ｌ字またはＴ字通路をなしている。そして、他の領域の直線通路の長さはいずれも７ｍｍ以下である。
【００３６】
図示しないが、放熱ベース１に半田（特に、鉛フリー半田の場合）の厚さを確保するための突起（ボスと呼ばれているもの）が設けられている場合には、その突起を逃げるために外部と繋がる直線通路と内部の直線通路との接続箇所の角度を３０°程度まで小さくする場合もある。
また、ペースト状の鉛フリー半田である島状半田３の厚さＨ２は塗布後ではメタルマスクの厚さＨ１と同じで例えば６００μｍ程度である。半田付け後はフラックスが外部へ抜けるため、半田の高さＨ３は例えば３００μｍ程度となる。尚、Ｈ２は１００μｍ〜１０００μｍ、Ｈ３は５０μｍ〜５００μｍの範囲内にある。
【００３７】
尚、島状半田３を形成する場合、放熱ベース１とメタルマスク２の間に僅かな隙間ができて、そこからペースト半田が通路４側に染み出しても、概ね通路４が確保できてガスや気泡が放出されるのに支障がなければ、格子状の通路４の底にごく薄くペースト半田が残留しても構わない。
図３は、図２の島状半田を形成するときに用いるメタルマスクの平面図である。メタルマスク２の厚みＨ１（図１（ａ）参照）は０．６ｍｍ程度、枠１３と繋がる桟１２の直線長さは７ｍｍ以下、枠１３と繋がる桟１２の幅は０．７ｍｍ〜３ｍｍとする。中央付近の桟１２の幅を０．７ｍｍ程度にする。勿論、枠１３と繋がる桟１２の幅と同じにして０．７ｍｍ〜３ｍｍとしてもよい。
【００３８】
また、放熱ベース１の中央付近の桟１２で囲まれた開口部１１を従来より大きくし、中央付近の桟１２の交差点を従来より少なくする。前記のメタルマスク２の厚みＨ１が塗布時の島状半田３の厚みＨ２となる。
図４は、外部と繋がる直線通路の長さと半田飛散数の関係を示す図である。図から外部と繋がる直線通路の長さＫは７ｍｍ以下とするとよい。本実験に用いた通路４のパターンでは、外部と繋がる直線通路の幅Ｅ１は１ｍｍであり、それ以外の中央付近の通路の幅Ｅ２は０．７ｍｍである。また、周囲が通路４で囲まれた島状半田３の大きさは半導体チップの大きさより大きく１０ｍｍ□程度である。
【００３９】
また、放熱ベース１で中央付近の格子状の通路４の交差点を少なくすることで、放熱ベース１の中央付近での通路４の交差点でのフラックスや気泡１７の残留が少なくなる（図５参照）。そのため、半導体チップを通路４上にも配置できて、設計の自由度は従来より向上する。
図５は、図２の格子状の通路を有するペースト状の鉛フリー半田を形成した放熱ベースと回路基板を半田付けした後のフラックスや気泡の分布図（模式図）である。これは図１３に相当する図である。ガスや気泡１７の分布は超音波で調査したため回路基板５が上に配置されていても分布の様子は分かる。
【００４０】
従来に比べるとフラックスや気泡１７の発生数は少なく分散している。また、外部への半田の飛散は見受けられない。
図６は、放熱ベースに形成された島状半田を溶融したときフラックスが滲み出た様子を示す模式図である。これは回路基板５は配置されていない。これは図１４に相当する図である。
【００４１】
従来に比べて、通路４の中央付近での交差点の数が少ないために、溶融半田から滲み出てきたフラックス１８の量は少なく、フラックスが滲み出てきた場所も分散している。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の第１実施例の半導体装置の製造方法であり、(ａ)〜（ｉ）は工程順に示す要部製造工程断面図
【図２】放熱ベース上に形成された島状半田の間の格子状の通路を示す平面図
【図３】図２の島状半田を形成するときに用いるメタルマスクの平面図
【図４】外部と繋がる直線通路の長さと半田飛散数の関係を示す図
【図５】放熱ベースと回路基板を半田付けした後のフラックスや気泡の分布図
【図６】放熱ベースに形成された島状半田を溶融したときフラックスが滲み出た様子を示す模式図
【図７】放熱ベースと回路基板の従来の半田付け工程を示し、（ａ）〜（ｉ）は工程順に示した要部製造工程断面図
【図８】回路基板の構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した要部断面図
【図９】回路基板５を放熱ベース１上に形成され島状半田３２に配置する図
【図１０】放熱ベース上に形成された島状半田の従来の平面図
【図１１】従来のメタルマスクの平面図
【図１２】回路基板を放熱ベースに半田付けしたときに半田が飛散した場所を示す図
【図１３】フラックスや気泡が半田内に発生している状態を示す模式図
【図１４】放熱ベースに形成された島状半田を溶融したときフラックスが滲み出た様子を示す模式図
【符号の説明】
【００４３】
１    放熱ベース
２    メタルマスク
３    島状半田
３ａ  溶融途上の島状半田
４    通路
５    回路基板
６    半田付け炉
７    窒素雰囲気
８    減圧雰囲気
９    溶融半田
１０    固化半田
１１    開口部
１２    桟
１３    枠
１４    Ｌ字通路
１５    Ｔ字通路
１６    十字通路
１７    フラックスや気泡
１８    滲み出してきたフラックス
【図１】
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【図２】
2010050381.tif 000004
【図３】
2010050381.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010050381.tif 000009
【図８】
2010050381.tif 000010
【図９】
2010050381.tif 000011
【図１０】
2010050381.tif 000012
【図１１】
2010050381.tif 000013
【図１２】
2010050381.tif 000014
【図１３】
2010050381.tif 000015
【図１４】
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